ver pdf - Escuela Colombiana de Ingeniería

U
REHABILITACIÓN DE LA CIMENTACIÓN DE UNA ESTRUCTURA CON PILOTES
HINCADOS A PRESION
1R
FR
SLD
Ing. GILBERTO RODRÍGUEZ CH.
C.I.C. Consultores de Ingeniería y Cimentaciones Ltda., Bogotá, D.C.
Universidad de Los Andes, Bogotá, D.C.
Ing. LUIS EDUARDO ESCOBAR B.
C.I.C. Consultores de Ingeniería y Cimentaciones Ltda., Bogotá, D.C.
Ing. GABRIEL OTERO S.
Asesor y Consultor Estructural
RESUMEN
El empleo de pilotes hincados fragmentariamente con gatos hidráulicos, es decir pilotes que son
hincados en segmentos que se acoplan para que operen de manera integral, es una práctica
que se ha empleado desde hace algunos años para dar solución a diferentes problemas
relacionados con cimentaciones en depósitos de limos y arcillas blandos, normalmente
consolidados. Estos pilotes tienen especial aplicación en la rehabilitación de cimentaciones
existentes, por la versatilidad de su instalación, especialmente en condiciones de espacio
limitado. Se presenta en el documento un caso de aplicación práctica de refuerzo de una
cimentación con pilotes preexcavados y fundidos en el sitio en el depósito lacustre de la ciudad
de Bogotá, D.C., cuyos asentamientos excesivos ocasionaron sobreesfuerzos estructurales con
los consecuentes agrietamientos severos de vigas y muros. Se describe el proceso por medio
del cual se establecieron las causas de los asentamientos, a partir de lo cual se optimizó la
implementación del sistema de pilotes metálicos hincados de manera fragmentaria. Se enfatiza
en este documento la evaluación de las pruebas de carga realizadas a los pilotes empleados
para este propósito, al igual que el cálculo teórico de su resistencia considerando los efectos de
la hinca sobre la resistencia del suelo en vecindad del fuste del pilote.
1
1.
ANTECEDENTES
El colegio Distrital Cristóbal Colón está localizado al nororiente de la ciudad de Bogotá, D.C. en
cercanía de los cerros orientales que bordean a esta ciudad. Consta de dos módulos de tres
niveles con área construida de 2000m2, los cuales disponen de un tipo de estructura aporticada,
con vigas y columnas en concreto reforzado. Entre ambos módulos existe un desnivel de 1.5m,
el cual fue generado con un relleno en recebo sobre el terreno natural. La geometría de la
estructura puede observarse de manera simplificada en la Figura 1.
Figura 1- Estructura simplificada
La cimentación de la estructura fue resuelta por medio de pilotes preexcavados y fundidos en el
sitio de 0.6m de diámetro y una longitud variable entre 14 y 23m, los cuales están unidos por
dados en concreto reforzado. Las cargas estructurales que soporta la cimentación varían entre
600-1500 KN.
2
Poco después de ser construido el colegio en el año 1990, inició la aparición de pequeñas
fisuras en los muros, las cuales fueron incrementando su espesor y propagándose con el
tiempo hasta alcanzar 1cm en el año 1999, año de realización del estudio. Durante la
U
inspección de las vigas de cimentación se constató en la mayoría de los casos su fisuración y la
carencia de apoyo en la base debido al asentamiento del relleno en recebo quedando estas
1R
FR
SLD
“puenteando” entre dados. El módulo construido sobre el relleno en recebo experimentó las
mayores deformaciones y por ende los mayores daños. Se estima que los asentamientos
totales máximos del edificio desde su construcción fueron del orden de sMAX=25cm. Los
asentamientos diferenciales entre columnas vecinas fueron estimados de manera aproximada
en ∆sMAX=10cm, lo cual equivale a una distorsión angular de 1:60. Durante la época de
realización del estudio (Abril a Septiembre de 1999) fueron medidos asentamientos hasta de
s=2.2cm.
2.
DESCRIPCIÓN DEL SUBSUELO
El área del proyecto corresponde geológicamente a la Formación Sabana, constituida por
depósitos fluvio lacustres de origen en el Cuaternario. El área del lote coincide con lo que
antiguamente era una chúcua (pequeño humedal), en donde se presentaban afloramientos
continuos de agua. El subsuelo está compuesto por capas alternadas de limos arcillosos
normalmente consolidados de consistencia blanda, limos orgánicos con turbas y porciones
orgánicas y mantos de arenas finas medianamente densas a densas que son conductoras de
aguas artesianas (posible recarga debido a la cercanía a los cerros orientales de la ciudad). La
presión del agua en las arenas ha dificultado y retardado la disipación del exceso de presión del
agua en los poros de los limos arcillosos que las suprayacen, desfavoreciendo su proceso de
consolidación debido a su propio peso y a la sobrecarga impuesta por el relleno en recebo. La
variación estacional de la presión de agua en los mantos de arenas hace que la tasa de
consolidación (y por lo tanto la cuantía de los asentamientos) también varíe con el tiempo.
La estratigrafía y las principales propiedades geomecánicas del suelo se presentan en la Figura
2.
3
SPT
E s t r a t ig r a f í a
0
0 .0
( N g o lp e s / p ie )
10
20
2
R e s is t e n c ia c u ( k N / m )
0
30
20
40
60
0
0
RECEBO
8
NF
L im o a r e n o s o c a f é o s c u r o ,
o r g á n ic o , c o n s is t e n c ia m e d ia
2
2
c u = 1 5 k N /m
4
5 .0
2
4
2
L im o a r c illo s o p a r d o y n e g r o
c o n t u r b a , b la n d o
1
6
6
L im o n e g r o y c a f é c o n t u r b a
b la n d o
8
8
A r e n a m e d ia n a m e n t e d e n s a
L im o g r is o s c u r o , c o n s is t e n c ia
m e d ia
L im o a r c illo s o p a r d o , p e d a z o s
d e m a d e r a , b la n d o
16
10
Profundidad (m)
1 0 .0
p a rd o ,
Profundidad (m)
1
L im o
a r c illo s o
c o n s is t e n c ia m e d ia
10
4
12
12
4
A r c illa lim o s a
b la n d a
g r is
v erd o s a ,
14
14
1 5 .0
16
L im o a r c illo s o p a r d o ,
o r g á n ic o , b la n d o
2
16
a lg o
3
18
2 0 .0
2 2 .0
A ren a
densa
f in a
a
m e d ia
18
g r is ,
20
86
20
L im o a r c illo s o p a r d o
Figura 2- Características del Subsuelo
3.
CAUSAS DE LOS ASENTAMIENTOS
La constancia y persistencia de los asentamientos de la estructura así como su magnitud
durante casi diez años hizo pensar desde el inicio del estudio en fenómenos asociados con la
excedencia de la capacidad de carga de los pilotes la cual se manifestó con deformaciones de
la cimentación bajo carga constante. Por este motivo, el estudio fue enfocado en definir la
capacidad de carga de los pilotes existentes, de un lado, y la magnitud de las cargas
estructurales por columna, por otra parte.
Por la carencia de información acerca de la cimentación existente, fue necesario excavar hasta
el nivel inferior de los dados con lo cual se pudo establecer el número de pilotes por columna y
su diámetro. La longitud de los pilotes fue determinada indirectamente con pruebas de
integridad realizadas a cada pilote. Con esta información y con la del subsuelo recopilada por
4
medio de perforaciones y ensayos de laboratorio fue posible calcular la resistencia de los pilotes
y la resistencia disponible en cada dado. Como resultado de la evaluación de cargas para el
proyecto realizada por el Ingeniero Estructural fue posible determinar las cargas transmitidas
por las columnas a los dados y compararlas con la resistencia disponible aportada por los
pilotes existentes en cada caso. De esta comparación se concluyó que la resistencia de
numerosos pilotes fue superada por las cargas estructurales transmitidas por las columnas,
presentando en estos casos la cimentación un déficit de resistencia por capacidad portante. En
la Figura 3 se presenta la relación entre el déficit de resistencia de los pilotes y el factor de
seguridad frente a la excedencia de la capacidad de carga de la cimentación para cada una de
las columnas de la edificación.
1000
Déficit de Resistencia (kN)
800
600
400
200
0
-2 0 0
-4 0 0
-6 0 0
-8 0 0
-1 0 0 0
0
1
2
3
4
5
6
F a c to r d e S e g u rid a d
Figura 3 -Factor de Seguridad vs. Déficit de Resistencia
Como puede observarse en la Figura 3, en numerosos pilotes el factor de seguridad es inferior
a la unidad (FS<1), lo cual significa que su capacidad de carga o resistencia es inferior a la
carga estructural transmitida por la columna. Por el contrario, en los casos en que el factor de
seguridad es superior a la unidad (FS>1), la capacidad de carga de los pilotes supera las
cargas transmitidas por las columnas y se presenta un margen con respecto a la falla por
5
capacidad portante. El déficit de resistencia de los pilotes alcanzó valores hasta de 800KN, lo
cual es consecuente con la magnitud de los asentamientos medidos y los daños de la
U
edificación.
SLD
De lo anterior pudo concluirse, que la resistencia última al corte del suelo en su interfase con los
pilotes fue alcanzada en un gran número de casos y que por lo tanto los pilotes existentes se
encontraban trabajando con carga de falla, experimentando un asentamiento permanente.
A los asentamientos propios de la cimentación existente hubo que adicionar los asentamientos
ocasionados por el relleno en recebo sobre el cual fue apoyado uno de los módulos, sobrecarga
que indujo asentamientos bastante uniformes por consolidación de los estratos limo arcillosos
subyacentes.
FR
4. DAÑOS ESTRUCTURALES
Con los asentamientos diferenciales experimentados por columnas contiguas se generó un
traslado de cargas a los elementos de cimentación vecinos a través de las vigas de amarre. Los
resultados presentados en la Figura 3 consideran únicamente la carga actuante sobre cada
elemento de cimentación y no el efecto del traslado de cargas entre elementos contiguos. En el
caso de que un elemento presente un asentamiento menor al de sus vecinos, su carga
1R
estructural se incrementará, mientras que si su asentamiento es mayor, parte de su carga
estructural será tomada por los elementos aledaños.
Los asentamientos diferenciales ocasionaron inicialmente la rotura de la mampostería y al
progresar, causaron la rotura de las vigas de amarre entre dados. Las condiciones de operación
de las vigas de amarre se tornaron más críticas con la pérdida de apoyo en su base debido al
asentamiento del subsuelo.
5.
ALTERNATIVAS DE REHABILITACIÓN DE LA CIMENTACIÓN
Para la rehabilitación de la cimentación fueron evaluadas alternativas conducentes a lograr uno
de estos dos objetivos: Evitar por completo la ocurrencia de asentamientos de la estructura en
6
un futuro, o, como segunda opción, reducir los asentamientos hasta magnitudes tolerables por
la estructura. Las alternativas evaluadas fueron: a) Alternativa 1: Recalce de la cimentación
existente con pilotes hincados o micropilotes de longitud L=40m trabajando por punta sobre un
U
estrato arenoso a los 38m de profundidad. b) Alternativa 2: Recalce de la cimentación con
pilotes hincados o micropilotes de longitud L=20m trabajando por fricción en el depósito de
c) Alternativa 3: Incorporación de una placa con los pilotes existentes
1R
FR
SLD
limos arcillosos y
(conformación de un sistema placa-pilote).
A continuación se mencionan los aspectos relevantes analizados para cada alternativa.
Alternativa 1
•
Al estar apoyados los pilotes remediales sobre un estrato de arenas densas, elimina la
posibilidad de ocurrencia de asentamientos futuros de la estructura.
•
Demanda la recimentación de todas las columnas para minimizar la ocurrencia de
asentamientos diferenciales y por lo tanto nuevos sobreesfuerzos estructurales.
•
La consolidación de los limos arcillosos debido a su propio peso y al relleno en recebo
reduce la resistencia efectiva de los pilotes por efecto de la fricción negativa. Por esta razón
sería requerido un mayor número de pilotes y por ende una mayor inversión.
•
Adicionalmente, por la incompatibilidad de deformaciones entre los pilotes de recalce
trabajando por punta sobre las arenas densas (demandan de un asentamiento pequeño
para desarrollar su resistencia) y los pilotes existentes trabajando por fricción en los limos
arcillosos (demandan de un mayor asentamiento para desarrollar su resistencia) , la
resistencia aportada por estos últimos sería desaprovechada.
Alternativa 2
•
Reduce los asentamientos hasta magnitudes tolerables por la estructura.
•
Su implementación debe ser realizada únicamente en aquellas columnas que hayan
evidenciado asentamientos excesivos.
7
•
Por la relativa compatibilidad de deformaciones entre los nuevos elementos y los existentes
(ambos desarrollan su resistencia básicamente por fricción en el fuste) la resistencia de la
cimentación existente puede ser aprovechada.
Por ser pilotes relativamente cortos y no apoyados sobre un estrato rígido, no se desarrolla
fricción negativa que reduzca su resistencia útil.
Finalmente, su costo es menor con respecto a las demás alternativas.
SLD
•
Alternativa 3
•
Reduce los asentamientos totales y diferenciales hasta una magnitud tolerable por la
estructura.
•
Su construcción es un proceso artesanal que demanda excavar por debajo de toda la
FR
estructura.
•
U
•
Por su dificultad constructiva entorpece el normal desarrollo de actividades en el colegio
durante un mayor periodo de tiempo.
En consecuencia con lo anteriormente expuesto y considerando aspectos técnicos y
económicos, para el proyecto fue seleccionada la Alternativa 2 que considera la rehabilitación
6.
1R
de la cimentación con pilotes trabajando por fricción en el depósito de limos arcillosos.
CONCEPTO GENERAL DE LA REHABILITACIÓN DE LA ESTRUCTURA
La rehabilitación integral de la estructura incluyó actividades tendientes a incrementar la
resistencia de la cimentación por medio de la hinca de pilotes y a reducir la magnitud de las
cargas estructurales. Al primer grupo de actividades corresponden la construcción de pilotes
adicionales a los existentes y la reparación y refuerzo de las vigas de amarre entre dados
adyacentes. Al segundo grupo corresponden la sustitución del relleno en recebo por un relleno
en material más liviano, en este caso escoria de alto horno, de menor peso unitario y el
reemplazo de elementos de mampostería por elementos más livianos (por ejemplo antepechos
en mampostería por barandas metálicas).
8
Con respecto a la alternativa relacionada con elementos de recalce de la cimentación, fue
evaluado por un lado el empleo de micropilotes y por el otro el empleo de pilotes metálicos
hincados por secciones con gatos hidráulicos, aprovechando como reacción la misma
estructura. La decisión final recayó sobre los pilotes metálicos hincados rellenos de concreto en
U
razón a que su resistencia se incrementa con el tiempo por efecto de mejoría de los suelos
la de los micropilotes.
SLD
alrededor del elemento hincado, de tal forma que su relación costo/resistencia es mas baja que
Con base en el déficit de resistencia para soportar cada columna establecido en la Figura 3 fue
determinado el número de pilotes necesario para incrementar el factor de seguridad hasta un
valor admisible y en consecuencia reducir los asentamientos hasta magnitudes tolerables.
los pilotes.
7.
FR
A continuación se describen las particularidades relacionadas con el diseño y construcción de
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LOS PILOTES
7.1 CONSTRUCCIÓN DE LOS PILOTES
Para la hinca de los pilotes fue necesario excavar por debajo de los dados de los pilotes
existentes con el objeto de generar un espacio que permitiera la operación de los gatos
hidráulicos. La hinca se realizó empleando como reacción la cara inferior de los dados
1R
existentes. El proceso consistió en hincar segmentos de tubería de 1m de longitud y 25cm de
diámetro, los cuales fueron soldados a medida que la hinca de los segmentos individuales
progresaba hasta alcanzar una longitud total promedio de 20m. El proceso culminó con la
instalación del refuerzo y vaciado del concreto en el interior de la tubería una vez alcanzada la
cota de fundación establecida. El estrato de arenas a los 19m fue atravesado para proporcionar
compatibilidad entre los asentamientos de los pilotes existentes y los de refuerzo y no
sobrecargar estos últimos. Durante la hinca de algunos pilotes se presentaron problemas de
pandeo y pérdida de la verticalidad debido al desvío de la punta del pilote causado por la
presencia de pedazos de madera, turba y lentes de arenas finas dentro del depósito.
9
En la Figura 4 se presentan las cargas registradas durante la hinca de los Pilotes B-5 No. 1 y B5 No. 2.
E s tra tig ra f ía
0 .0
R ecebo
C a r g a A p lic a d a ( k N )
0
50
100
150
200
250
300
L im o a r e n o s o c a fé o s c u r o ,
o r g á n ic o , c o n s is te n c ia m e d ia
5 .0
L im o a r c illo s o p a rd o y n e g r o
c o n tu r b a , b la n d o
P ilo te B -5 N o . 2
L im o n e g r o y c a fé c o n tu r b a
b la n d o
L im o
a r c illo s o
c o n s is te n c ia m e d ia
1 0 .0
P ilo te B -5 N o . 1
p a rd o ,
A r e n a m e d ia n a m e n te d e n s a
L im o
a r c illo s o
p a rd o
p e d a z o s d e m a d e r a , b la n d o
A r c illa
b la n d a
lim o s a
g r is
Penetración (m)
L im o g r is o s c u r o , c o n s is te n c ia
m e d ia
,
v erd o s a ,
1 5 .0
L im o
a r c illo s o
o r g á n ic o
2 0 .0
2 2 .0
p a rd o ,
a lg o
A ren a
fin a
a
m e d ia
c o n s is te n c ia d e n s a
g r is ,
L im o a rc illo s o p a rd o
X
Y
Figura 4 –Registros de Hinca
La resistencia a la hinca ofrecida por el pilote correlacionó adecuadamente con la estratigrafía
establecida por medio de la perforación PT-2 localizada aproximadamente a 10m del sitio de
hinca.
Los picos de resistencia a los 4, 11 y 19m se atribuyen a la presencia de lentes y mantos de
arenas de grano fino. Del análisis de la Figura 4 puede concluirse que la resistencia última
ofrecida por los pilotes metálicos de 20m de longitud y 0.25m de diámetro durante la hinca fue
de 130- 150 KN, de los cuales cerca de 100 KN corresponden a la fricción en el fuste
desarrollada en el depósito de limos arcillosos. Los 30 - 50 KN restantes (despreciando la
resistencia por punta que en este caso es pequeña) corresponden a la fricción en el estrato de
arenas de grano fino presentes a los 19m de profundidad. De los registros de hinca puede
10
igualmente concluirse que la resistencia por reacción en la punta en el estrato arenoso a los
19m de profundidad es de 180 KN (280-100 KN).
7.2
APROXIMACIONES TEÓRICAS PARA EL CÁLCULO DE LA RESISTECIA ÚLTIMA
DE LOS PILOTES
U
Con el objeto de determinar el número de pilotes requeridos para suplir el déficit de resistencia
para cada columna y su distribución en el dado fue calculada de manera teórica la resistencia
SLD
última del pilote con las características seleccionadas, empleando las propuestas de varios
autores y los parámetros geomecánicos de los suelos establecidos en el marco del proyecto. La
resistencia de diseño final fue ajustada con los resultados de las pruebas de carga realizadas a
dos pilotes representativos después de cierto tiempo de haber sido hincados.
En el caso de los limos arcillosos normalmente consolidados y saturados, la resistencia por
adhesión en el fuste es una función de su resistencia al corte no drenada (cU, ϕ=0). La
diferencia principal entre las propuestas de la literatura radica en el factor de reducción de la
FR
resistencia al corte no drenada del suelo (cU) para el cálculo de la adhesión (ca) entre la
superficie exterior del pilote y el suelo que lo circunda. En el Cuadro 1 se presentan los
resultados obtenidos según las metodologías propuestas por diferentes autores.
1R
Cuadro 1- Fricción en el Fuste de Pilotes
Metodología
PFu (KN)
ca/cU
PECK, 1958
150
0.7
POULOS & DAVIS, 1980
220
1
ZEEVAERT,1983
320
NA
NA=no aplica
La reducción de la resistencia del pilote durante la hinca (130- 150 KN) con respecto a los
cálculos teóricos presentados en el Cuadro 1 es atribuible a la alteración de la estructura del
suelo, el cual es remoldeado con humedad constante hasta una distancia de un diámetro a
partir de la pared del pilote (ZEEVAERT, 1983). Por esta razón, la definición de la carga de
trabajo de pilotes hincados a
partir de la resistencia registrada durante la hinca es
conservadora y no considera los cambios en resistencia que induce el proceso de hinca en los
suelos que rodean al pilote.
11
Como ejercicio y aprovechando los resultados de las pruebas de carga realizadas fueron
comparados los resultados de los cálculos teóricos de la resistencia por punta desarrollada por
el pilote en el estrato arenosos a los 17m de profundidad con los registros durante la hinca. La
diferencia principal entre los diferentes métodos de cálculo teórico radica en la determinación
U
del factor adimensional de capacidad portante NQ, el cual es una función del ángulo de fricción
Cuadro 2.
SLD
interna (ϕ=35º para el caso presente). La comparación de los resultados se presenta en el
Cuadro 2- Resistencia de Pilotes en la Punta sobre Arenas
NQ
Metodología
Pbu
PPumedido/PPu calculado
(kN)
560
260
490
380
180
100
0.32
33
102
48
0.69
0.36
0.47
1.0
FR
POULOS & DAVIS,
1980
HANSEN,1970
VESIC,1973, 1975
JANBU
Medición
durante
hinca
Como puede concluirse del Cuadro 2, los resultados de los cálculos teóricos varían en un
amplio rango. En todos los casos, el cálculo teórico supera la resistencia por punta medida, lo
cual es atribuible al reducido espesor del estrato de arena, el cual fue estimado en 1.5m
empleando el procedimiento de percusión y lavado en la perforación. Por la imprecisión de este
7.3
1R
procedimiento de perforación es probable que este estrato sea en realidad de menor espesor.
PRUEBA DE CARGA
Con el objeto de verificar la resistencia de los pilotes en su condición de operación fueron
realizadas pruebas de carga a los pilotes B-5 No. 1 y B-5 No. 2 siguiendo los lineamientos
dados para este propósito en la Norma DIN 1054. Las pruebas fueron realizadas a los 20 días
de haber sido hincados los pilotes e incluyeron varios ciclos de carga y descarga. Los
resultados de las pruebas de carga se presentan en la Figura 5.
12
0
Asentamiento (mm)
5
10
15
20
Pilote B-5 No. 1
Pilote B-5 No. 2
25
10
100
1000
C arga (kN )
Figura 5 –Pruebas de Carga
Para la determinación de la resistencia última del pilote a partir de pruebas de carga existen
numerosos criterios. En el Cuadro 3 se resumen los criterios (recopilación realizada por VESIC,
1975) aplicados en el presente caso.
Cuadro 3- Criterios para la definición de Pu
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Autoría
New York Code
BISHOP, 1948
AASHO
Boston Code
Californian Code
Ohio
Raimond Co.
VESIC, 1963
DE BEER, 1970
Criterio
S=2.5cm
S=0.1D
SPERM=0.7cm
SPERM=1.25cm
SEL/sPERM=1.5
S/Q=2.5cm/MN
∆s/∆Q=7.5cm/MN
∆s/∆Q=12.5cm/MN
(∆s/∆Q)max
Máxima curvatura de
curva cargaasentamiento en escala
log
Pu (kN)
B-5 No. 1
B-5 No. 2
290
270
290
270
290
270
NA
NA
240
280
210
210
220
220
260
NA
260
275
260
260
s=asentamiento , sPERM=asentamiento permanente , sEL=asentamiento elástico, Q=carga aplicada, NA= no aplica.
13
Para el proyecto fue definida una resistencia última de PU=280 KN tomando como base las
pruebas de carga. Esta resistencia es atribuible casi en su totalidad a la fricción en el fuste por
ser el valor de la resistencia por punta pequeño (diámetro del pilote es pequeño y resistencia
7.4
U
del suelo es baja).
INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
1R
FR
SLD
La resistencia determinada por medio de las pruebas de carga superan la resistencia teórica
por fricción en el fuste calculada a partir de la resistencia al corte no drenada (cU) del suelo
inalterado (PECK, 1958, POULOS & DAVIS, 1980, por ejemplo), presentadas en el Cuadro 1.
La diferencia entre ambos resultados es atribuible al efecto de consolidación del suelo que
rodea al pilote inducido por el incremento de la presión de poros por el proceso súbito de hinca,
sumado al efecto tixotrópico de las arcillas debido a la reorientación gradual de las moléculas
del agua adsobida. Ambos efectos son una función del tiempo transcurrido a partir de la hinca
del pilote. Los cálculos convencionales desconocen el efecto del tiempo para cimentaciones
piloteadas que no requieran ser cargadas de inmediato y
por este motivo subvaloran la
resistencia en el fuste que el pilote puede desarrollar durante su vida útil.
A diferencia de las dos primeras metodologías empleadas, la metodología propuesta por
ZEEVAERT (1983) arrojó resultados cercanos a los obtenidos con la prueba de carga. Según
esta metodología, el proceso de hinca del pilote altera al suelo alrededor del fuste reduciendo
momentáneamente su resistencia e induciendo elevadas presiones de poros. El exceso de
presión de poros se disipa posteriormente generando la consolidación de un anillo de suelo
alrededor del pilote. Según los ensayos en modelos a escala 1:1 realizados (RODRIGUEZ,
2001), el espesor aproximado del anillo de suelo alrededor del pilote es de una vez el radio del
pilote (r0). En esta zona, la disminución de la humedad alcanzó un valor máximo de 16% en el
contacto entre el fuste del pilote y el suelo, zona en donde la compresión debida a la hinca es
mayor y en donde se presenta el mayor remoldeo.
La disipación del exceso de presión de poros puede ser favorecida por el fracturamiento
hidráulico que puede experimentar el suelo debido al proceso súbito de hinca y la baja
permeabilidad de este tipo de suelos. Con esta metodología fue calculada una resistencia
última por fricción en el fuste de PFU=320 KN, que correlaciona de manera aproximada con la
resistencia obtenida de las pruebas de carga PU=280 KN.
14
La resistencia medida durante la prueba de carga tenderá a incrementarse y a converger hacia
la resistencia teórica en la medida en que los procesos de consolidación y tixotropía alrededor
del pilote progresen con el tiempo (las pruebas de carga fueron realizadas a los 20 días de ser
hincados los pilotes). A mediano plazo y en el caso de pilotes metálicos, el óxido de hierro
producido por los pilotes tendrá un efecto cementante en el suelo alrededor del pilote, con lo
cual es posible que la resistencia del mismo se incremente también por este efecto. Lo anterior
tiene como consecuencia no solo una mejoría en la resistencia del suelo alrededor del pilote,
sino también en el factor de adherencia pilote-suelo.
8. DISEÑOS ESTRUCTURALES
Una vez definida la capacidad de carga de los pilotes de recalce, los diseños estructurales
condujeron a definir el número de pilotes adicionales requeridos para cada columna. En todos
los casos fue necesario diseñar (y construir) dados adicionales, los cuales fueron de tres tipos
dependiendo del espacio disponible en los dados existentes: Dados adicionales bajo los dados
existentes, dados bajo las vigas de amarre o dados conectando diagonalmente vigas de amarre
ortogonales. En los dos últimos casos fue necesario el refuerzo de las vigas de amarre para
soportar los nuevos esfuerzos que implicó la hinca de los pilotes adicionales.
De manera complementaria, las vigas de amarre entre dados fisuradas fueron reforzadas e
inyectadas con epóxico. En la Figura 6 se presentan dos dados típicos.
Figura 6 -Dados típicos
15
9.
COMPORTAMIENTO DE LA CIMENTACIÓN REHABILITADA
A casi cuatro años de haber finalizado las labores de rehabilitación de la
cimentación del colegio Cristóbal Colón, su comportamiento ha sido satisfactorio.
En la Figura 7 se presenta el registro topográfico de asentamientos de algunas
columnas. El último registro de asentamientos tomado en la fase de acabados
mostró en algunas columnas asentamientos menores del orden de s=1mm. Estos
asentamientos tendieron a disminuir en la medida en que el exceso de presión de
poros inducido por la hinca de pilotes se disipó con el tiempo y la estructura se
ajustó a su nueva condición. El volumen equivalente de pilotes hincados en un
lapso de un mes fue de 67m3. El proceso de hinca pudo haber mejorado también
el comportamiento de los pilotes existentes al consolidar los suelos alrededor de
éstos.
Con el reemplazo parcial del recebo del relleno por un material más liviano, en
este caso escoria de alto horno, la ocurrencia de asentamientos debido a esta
sobrecarga fue disminuida.
El proceso total de la rehabilitación del colegio (incluyendo reparaciones
arquitectónicas y de acabados) duró 6 meses, de los cuales 1 mes correspondió a
la hinca de
un total de 74 pilotes y
2 meses a la construcción de dados y
reparación de la vigas de amarre.
Tiempo (dias)
0
30
60
90
120
150
0
Asentamiento (mm)
2
Dado 1
Dado 2
Dado 3
Dado 4
Dado 5
Dado 6
Dado 8
Dado 7
4
6
8
10
Hinca de Pilotes
12
Figura 7. Registro de Asentamientos
16
180
10.
CONCLUSIONES
Con el estudio descrito se concluyó que en la rehabilitación de cimentaciones en
hincados
U
condiciones de espacio limitado el empleo de pilotes metálicos
fragmentariamente con gatos hidráulicos es una buena alternativa. Desde el punto
1R
FR
SLD
de vista constructivo, presentan una limitante en la longitud de su implementación
debido a la dificultad
en el control de la verticalidad y el pandeo a partir de
determinada profundidad. Con el análisis retrospectivo minucioso de la resistencia
de la cimentación existente y el cálculo las cargas estructurales se logró optimizar
el alcance de la recimentación, reduciendo a lo necesario el costo de la misma.
Con la información recopilada durante el proceso de hinca de los pilotes y las
pruebas de carga realizadas se pudo verificar la confiabilidad de diferentes
procedimientos teóricos disponibles para el calculo de la resistencia última de este
tipo de pilotes. Se comprobó que los procedimientos que parten de la resistencia
al corte de arcillas y limos normalmente consolidados y saturados en su estado
natural sin considerar los efectos de la hinca a través del tiempo sobre el mismo
arrojan resultados conservadores. Los pilotes hincados inducen inmediatamente
en el suelo aledaño al fuste un incremento de la presión de poros con lo cual se
genera la consolidación de un anillo de suelo que rodea al pilote. La pérdida de
humedad del suelo en el anillo ocasiona un incremento de su resistencia y
consecuentemente un incremento de la capacidad de carga del pilote. Ambos
procesos son una función del tiempo debido a la baja permeabilidad de este tipo
de suelos. A este fenómeno se debe adicionar la ganancia de resistencia en las
arcillas remoldeadas por
efecto de su tixotropía, tema que no es objeto del
presente artículo. Para el caso presente, el procedimiento de cálculo basado en el
principio
anteriormente
descrito
arrojó
resultados
que
correlacionaron
adecuadamente con los resultados obtenidos de las pruebas de carga efectuadas
a dos de los pilotes.
17
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean manifestar sus agradecimientos a la Secretaria de Educación
del Distrito por permitir la publicación de este documento y al grupo de apoyo de
U
C.I.C. Consultores de Ingeniería y Cimentaciones Ltda., por la colaboración en la
1R
FR
SLD
edición final del documento.
REFERENCIAS
Bowles, J. E. (1996)” Foundation Analysis and Design”, MC Gaw Hill, 5ª Edición
DIN 1054 (1976) “Zulässige Belastung des Baugrunds”.
Franke, E. (1992), “Pfähle”, en Grundbau_Taschenbuch, Teil 3, Ernst & Sohn, 4ª
Edición.
Gudehus, G. (1981), “Bodenmechanik”, Enke
Peck, R.B., Hanson, W.E., Thornburn, T.H., (1953), “Foundation Engineering”,
John Wiley and Sons, 2ª Edición,
Poulos, H.G., Davis, E.H., (1980), “Pile Foundation Analysis and Design”, John
Wiley and Sons
Rodríguez, G., Jaimes, G., (2001), “Incremento de la resistencia de suelos limo
arcillosos blandos debido a la hinca de pilotes a presión”, ”, IX Jornadas
Geotécnicas de la Ingeniería Colombiana, Bogotá, Septiembre de 2001
Zeevaert, L. (1983), “Foundation Engineering for Difficult Subsoil Conditions”, Van
Nostrand Reinhold Company, 2ª Edición.
18